高温合金CMSX–4和DD419单晶铸件中共晶含量的试验研究*

赵运兴，员莹莹，马德新，徐维台，徐福泽，魏 冰

（1. 中南大学粉末冶金研究院，长沙 410083；2. 深圳市万泽中南研究院有限公司，深圳 518045）

镍基单晶高温合金具有优良的高温性能，被广泛应用于航空发动机单晶涡轮叶片的制备[1–3]。单晶高温合金的铸态组织主要由树枝状的γ 基体和团状的γ/γ′共晶组织组成。经固溶热处理后，合金中的元素分布会趋于均匀化，γ/γ′共晶组织会减少甚至完全消除。通常情况下，叶片铸态组织中共晶组织的含量越少，经热处理后的残余γ/γ′共晶组织也就越少，叶片的高温性能越好[4–8]。残余γ/γ′共晶的含量是单晶叶片质量检测的一项重要指标，对叶片的不同位置，一般规定残余共晶的上限是1%～3%。若铸态组织中γ/γ′共晶含量太多，不但造成后续热处理过程的复杂化，也会使残余γ/γ′共晶超出技术标准，造成单晶铸件废品率的增加。

CMSX– 4 为美国CM 公司研发的第二代单晶高温合金，其耐温能力高出第一代单晶高温合金CMSX– 2和CMSX– 3 合金约18 ℃，在国内外航空发动机和燃气轮机的单晶涡轮叶片中有着广泛的应用[9–10]。DD419为国产第二代单晶高温合金，其成分及性能与进口CMSX– 4 合金基本相当，目前已应用到国产航空发动机单晶叶片的研制。本文对进口合金CMSX– 4 与国产合金DD419在相同工艺条件下进行相同形状单晶叶片的铸造试验，检测其在铸态及固溶热处理态组织中的γ/γ′共晶含量，对比两者的铸造性能，为单晶叶片生产工艺的合理制定提供相关的依据和支撑。

1 试验方法

试验中所用的进口CMSX– 4 合金和国产DD419 合金的实测成分见表1，对比其中数据可见，两种合金中各种元素的含量非常相似。

表1 CMSX–4 合金和DD419 合金的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of CMSX–4 alloy and DD419 alloy (mass fraction) %

使用上述两种合金，在进口的VIM–IC/DS/SC（ALD）真空定向凝固炉中，以同样的浇铸工艺，在同样的Al2O3基陶瓷型壳中分别浇注了一批某型号的双联导向单晶叶片和厚度为5 mm 的带凸台单晶试板，如图1 所示。具体浇铸工艺为：模壳加热器保温温度1550 ℃，抽拉速率3.5 mm/min。铸造完成后除去模壳，切除浇注系统。取其中1 片叶片铸件，按照技术标准规定的共晶检测方法做纵向剖面，如图1（a）所示，在上部的缘板部位A和中部的叶身部位B选取若干视场，检测相应的铸态组织。对于单晶试板，在距离试板底部25 mm 位置处取截面进行检测，如图1（b）所示。采用型号为NIKON MM–400 的光学显微镜 （OM）观察铸态金相组织，检测其中的γ/γ′共晶含量。另各取1 件叶片和试板铸件在15.0VPT– 4022/24HVIQ 型真空热处理炉中按照以下制度进行固溶热处理： 1280 ℃/1 h+1290 ℃/2 h+1300℃/2 h + 1308 ℃/4 h + 氩气冷淬；然后按同样方法在叶片及试板检测位置选取若干视场，用光学显微镜（OM）观察其热处理态下的残余γ/γ′ 共晶含量。同时，为了验证检测结果的可靠性，对采用CMSX– 4 和DD419 合金铸造并热处理的相同型号的双联导向单晶叶片的批量产品中的残余共晶情况进行了统计和比较。

图1 叶片和试板铸件形状和检测位置示意图Fig.1 Blade and plate shape and inspection position

2 试验结果

2.1 铸态组织的共晶含量

图2 为CMSX–4 合金浇注的单晶叶片铸态组织的金相图，其中图2（a）的样品取自叶片缘板部位A，图2（b）取自叶片叶身部位B。其中亮白色的团块状组织为γ/γ′共晶组织，可以看到CMSX– 4 合金铸件中共晶组织含量较多，其中部位A比叶身部位B的共晶组织更多些。

图2 CMSX–4 合金叶片的铸态组织Fig.2 As-cast microstructure of CMSX–4 alloy blade

在上述叶片的部位A和B中分别随机选取了4 个视场，定量检测了各视场中亮白色γ/γ′共晶组织的面积分数作为铸态组织中共晶分数fE（也称共晶含量），检测结果如表2 所示。可以看到，在铸态条件下部位A每个视场的共晶含量都高于部位B的各个视场。部位A和B两处的平均共晶含量分别为8.09%和6.51%，可见尺寸厚大的缘板部位A比起薄壁部位的叶身部位B会产生更多的共晶组织。这一方面是因为A处的散热和凝固速率较慢，元素偏析更严重，利于产生大块的共晶团；另一方面是因为部位A位于叶片上端，共晶由于上聚效应会在部位A产生富集[11–12]。

表2 CMSX–4 合金和DD419 合金叶片铸态组织中共晶分数fE 测量结果Table 2 Measurement result of eutectic fraction fE in as-cast structure of CMSX–4 alloy and DD419 alloy blades %

采用同样的方法对国产DD419合金叶片的缘板部位A和叶身部位B的铸态组织进行了观察，图3 展示了两处的典型铸态组织。可以看到，在铸态条件下，作为第二代单晶高温合金的DD419 中共晶组织含量也较多。在部位A和B分别随机选取了4 个视场，进行了共晶分数fE的定量检测，结果如表2 所示。可以看到，在叶片缘板部位A的共晶平均含量为5.51%，高于叶身部位B的5.00%。

图3 DD419 合金叶片的铸态组织Fig.3 As-cast microstructure of DD419 alloy blade

从图4 可以看到，叶片的缘板部位A中CMSX–4 合金的平均共晶含量远高于DD419 合金。而在叶身部位B中CMSX–4 合金的平均共晶含量也明显高于DD419 合金。若将每种叶片A处和B处的数据进行综合平均，得到CMSX–4 和DD419 合金铸态组织中共晶平均含量分别为7.30%和5.25%，前者为后者的1.39倍。

图4 CMSX–4 合金和DD419 合金叶片中铸态共晶含量对比Fig.4 Comparison of eutectic fraction in as-cast blade of CMSX–4 alloy and DD419 alloy

为了验证上述叶片中检测结果的可靠性，采用相同的检测方法对相同工艺浇铸的1 组试板铸件的铸态共晶含量进行了检测，金相图如图5所示。可以看到，采用CMSX–4 合金浇铸的试板铸件图5（a）中共晶含量明显高于DD419 合金的试板（图5（b）），这与叶片的检测结果相同。在两种合金试板铸件的检测截面上分别随机选取8 个视场进行共晶含量fE的定量检测，检测结果如表3 所示。

表3 CMSX– 4 合金和DD419 合金试板铸态组织中共晶分数fE 测量结果Table 3 Measurement result of eutectic fraction fE in as-cast structure of CMSX–4 alloy and DD419 alloy plates %

图5 CMSX–4 合金及DD419 合金单晶试板铸态金相组织Fig.5 As-cast microstructure of CMSX–4 alloy and DD419 alloy plate

可以看到，在铸态条件下，CMSX–4 合金试板中几乎每个视场的共晶含量都高于DD419 合金试板。对于试板铸件，合金CMSX–4 与DD419的平均共晶含量分别为7.10%和5.62%，前者为后者的1.26 倍。再次表明，两种合金的成分虽然非常相似，但CMSX–4 合金铸态组织中的共晶含量要明显高于DD419 合金。

2.2 热处理后的共晶含量

图6（a）和 （b）分别为固溶热处理后的CMSX–4 合金叶片在缘板部位A和叶身部位B的金相组织图。可以看到，叶片经固溶热处理后，共晶组织显著减少，特别是叶身部位B，仅有少量残余共晶存在。

图6 CMSX–4 合金叶片的热处理态组织Fig.6 Heat treated microstructure of CMSX–4 alloy blade

同样，对DD419 合金叶片铸件固溶热处理后的组织进行了检测，如图7 所示。由于这种合金铸态组织的共晶含量本来就相对较少，经固溶热处理后，仅叶片缘板部位还存在少量的残余共晶，而叶片叶身部位的共晶组织已经完全回溶，没有发现残余共晶。

图7 DD419 合金叶片的热处理态组织Fig.7 Heat treated microstructure of DD419 alloy blade

在固溶热处理后的CMSX–4 和DD419 合金叶片的缘板与叶身部位分别随机选取4 个视场，进行共晶含量检测，结果如表4 所示。可以看到，CMSX–4 合金中残余共晶的含量明显多于DD419 合金。在叶片的缘板部位，CMSX–4 合金的平均残余共晶含量为1.45%，远高于DD419 合金中的0.48%。在叶身部位，CMSX–4 合金残余共晶为0.14%，而DD419 合金的共晶组织已经完全固溶，各个视场中均未发现残余共晶。将A处和B处的数据进行综合平均，CMSX–4 叶片中的残余共晶为0.80%，而DD419合金中仅为0.24%，前者为后者的3.3 倍。可见，不论是在叶片铸件的缘板还是叶身部分，固溶热处理后CMSX–4 合金中残余共晶含量都明显高于合金DD419（图8）。

图8 CMSX–4 合金和DD419 合金叶片铸件热处理后共晶含量对比Fig.8 Comparison of eutectic fraction of heat treated blade of CMSX–4 alloy and DD419 alloy

表4 CMSX–4 合金与DD419 合金热处理态叶片共晶分数fETable 4 Eutectic fraction of heat treated blade of CMSX–4 alloy and DD419 alloy %

同样，为了验证上述检测结果的可靠性，对用相同工艺浇注及热处理的试板铸件，采用相同的检测方法检测了残余共晶的含量，金相图如图9 所示。可以看到，CMSX–4 合金试板中残余共晶的含量明显高于DD419 合金试板，这与叶片的检测结果一致。

图9 CMSX–4 合金及DD419 合金试板热处理后金相组织Fig.9 Heat treated microstructure of CMSX–4 alloy and DD419 alloy plate

固溶热处理后，在两种合金试板的检测截面分别随机选取8 个视场进行残余共晶含量检测，结果如表5 所示。可以看出，试板铸件中CMSX–4 合金残余共晶含量平均值为0.11%，远高于DD419 合金中的残余共晶含量（0.01%）。

表5 CMSX–4 合金与DD419 合金热处理态试板共晶含量Table 5 Eutectic fraction in heat treated plate of CMSX–4 alloy and DD419 alloy %

为了进一步验证检测结果的可靠性，在进行试验工作的同时，也对批量生产的相同型号的双联导向单晶叶片的有关质量检查情况进行了统计。根据客户需求，采用CMSX–4和DD419 合金分别生产了6 个熔批共705 件单晶叶片铸件。作为产品的一项重要技术指标，需要检测铸件中的残余共晶含量。根据要求在热处理后，在每种合金的每个熔批中随机抽取1 片叶片进行解剖，在双联导向单晶叶片相同的部位采用相同的方式进行了残余共晶含量的检测。经统计，在抽查的6 件CMSX–4 合金叶片样品中，残余共晶含量的平均值为0.79%，而DD419 合金的6 件叶片中残余共晶含量仅为0.36%，前者为后者的2.2 倍。由于进行的热处理制度相同，可以推断，两种合金铸态组织中的共晶含量存在差别，再次验证了不论是在铸态条件下，还是在经过相同的热处理后，CMSX–4合金铸件中的共晶含量明显高于DD419 合金。

3 讨论

3.1 合金种类与共晶含量

在镍基高温合金单晶叶片的凝固过程中，先是γ 相以柱状树枝晶的形态从合金熔体中长出，随着固相分数的不断增加，被排入到液体的γ'相形成元素Al+Ti+Ta 的含量也不断增加。当液相中的Al+Ti+Ta的含量超过共晶成分饱和度时，枝晶间的残余液体中开始产生γ/γ'共晶。从表1 可以看到，虽然CMSX–4 和DD419 合金的化学成分非常相似，但CMSX–4 合金中的Al+Ti+Ta 含量为13.17%，要高于DD419 合金中的12.89%。特别是最重要的γ'相形成元素Al 的含量在CMSX–4 合金中为5.72%，要高于DD419 中的5.44%，这就决定了CMSX–4 合金铸态组织中的γ/γ'共晶含量要高于DD419 合金。但是这两种合金中的γ'相形成元素的差别微小 （Al 含量仅相差5.1%，Al+Ti+Ta 含量仅相差2.2%），却导致了合金铸态组织中γ/γ'共晶含量的明显差别 （表2 和3），这其中的机理还需要进一步研究。

本文的研究结果表明， CMSX–4和DD419 合金铸态组织中共晶含量的不同，导致两者在经过相同的固溶热处理后残余共晶含量相差2 倍多。而在高温合金单晶叶片的生产制造过程中，对残余共晶含量的要求是比较严格的。叶片在服役过程中，若叶片中的残余共晶含量较高，残余共晶往往会是裂纹萌生的起点，造成叶片发生断裂失效。本文研究的导向叶片中，CMSX–4 合金叶片经热处理后，虽然残余共晶含量的总量在标准规定的范围之内 （小于3%），没有造成叶片报废，但残余共晶含量明显高于合金DD419 的叶片，这使其机械性能会受到一定的影响。

本文作者在制备尺寸更大的另一种型号的叶片时发现，部分CMSX–4合金叶片的厚大缘板部位在经固溶热处理后，出现残余共晶总量超出标准的情况。如图10（a）所示，该CMSX–4 合金叶片在缘板厚壁处的残余共晶组织含量为3.90%，超出了标准规定值3.00%，从而造成了该叶片的报废。而在同样条件下制备的DD419 合金叶片在同一部位的残余共晶含量仅为0.14%，如图10（b）所示，为合格产品。这说明，使用CMSX–4 合金生产单晶叶片时，有可能因残余共晶超标而报废，而采用DD419 合金时则不存在该风险。

图10 采用CMSX–4 合金和DD419 合金制备的某型叶片固溶热处理后金相组织Fig.10 Solution heat treated microstructure of CMSX–4 and DD419 blades

3.2 共晶在铸件中的非均匀分布

本研究还发现，叶片上部的厚大缘板部位的共晶含量要高于中部的叶身部位，一方面是因为共晶组织的形成除了受合金成分影响外，还受铸件局部凝固条件影响。作为γ'相的形成元素，Al、Ti 和 Ta 为典型的正偏析元素，凝固过程中富集于枝晶间的残余液体中，凝固后富集于以γ/γ'共晶形式析出的γ'相中。在尺寸和壁厚较大的缘板部位，由于散热和凝固速率较慢，会出现较宽的糊状区和粗大的枝晶组织，元素偏析更严重，利于产生大块的共晶团。

另一方面，叶片上部缘板处共晶较多的原因是共晶组织的上聚效应[11–12]。在γ 相柱状枝晶向上生长过程中，富集在残余液体中的Al+Ti+Ta 元素除了溶入枝晶间析出的γ/γ'共晶外，也会由于溶质浓度的差别而向上部的液体区扩散。此外，由于Al 和Ti 的密度很小，导致枝晶间残余液体因Al 和Ti 浓度的提高而发生密度反转即密度减小[13–21]，并在重力作用下向上对流，导致γ/γ'共晶组织在铸件上端如上部缘板处富集。合金CMSX–4 不但比DD419 具有更高含量的共晶组织，而且其共晶组织在铸件中非均匀分布的现象也更为明显。

4 结论

虽然高温合金CMSX–4 与DD419的化学成分相似，但是前者铸态和热处理后组织中的γ/γ'共晶含量明显高于后者。因此采用合金CMSX–4生产单晶叶片时有可能因残余共晶含量超过技术标准而报废，而采用DD419 合金时风险则减小很多。本研究还发现，高温合金叶片上部厚大的缘板部位共晶含量要高于中部的叶身部位，特别是在合金CMSX–4中更为严重。这一方面是因为铸件厚壁处散热和凝固较慢，元素偏析更严重，利于产生大块的共晶团；另一方面是由于共晶的上聚效应导致共晶在铸件上端产生富集。